JP6466416B2 - High speed photodetector - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ベースの光検出器に関し、より具体的には、速度応答が向上した高速光検出器の構造及びそれを製造する方法に関する。   The present invention relates to semiconductor-based photodetectors, and more particularly to a high-speed photodetector structure with improved speed response and a method of manufacturing the same.

検出可能な電気信号に光信号を変換することができる半導体ベースの光検出器は、光通信ネットワーク等の様々な技術分野において広く使用されている。即ち、PINフォトダイオードとも呼ばれるp‐i‐n接合に基づくフォトダイオードは、p−n接合と比較して入射光に対する迅速な応答から、高速光検出器として特に適している。従来のp‐i‐n接合は、p型の半導体層(p層)、n型の半導体層(n層)、及びp層とn層に挟まれたi層とも呼ばれる真性の(ドープされていない又は軽度にドープされた)半導体層を含む。光検出器として動作する際、p‐i‐n接合は、逆バイアス状況にある場合が多く、基本的に光が無ければ電流を伝導しない。価電子帯レベルから伝導帯レベルに電子を励起するのに十分なエネルギーを備える光子がi層によって吸収されると、一対の「自由な」電子‐正孔キャリアが生成される。正孔にはp層によって、電子にはn層によって夫々提供されるより低いエネルギーレベルによって形成される強い電位勾配の影響下で、「自由な」電子及び正孔キャリアは、夫々n層及びp層に向かってi層内を反対方向に素早く移動し、それにより、外部回路によって電子信号として検出されて入射光信号と関連付けられることができる光電流を生成する。従来は、p層及びn層の夫々の上にオーミックコンタクトが設けられ、それにより、PINフォトダイオードのアノードコンタクト及びカソードコンタクトを夫々提供する。   Semiconductor-based photodetectors that can convert an optical signal into a detectable electrical signal are widely used in various technical fields such as optical communication networks. That is, a photodiode based on a pin junction, also called a PIN photodiode, is particularly suitable as a high-speed photodetector because of its quick response to incident light compared to a pn junction. Conventional pin junctions are intrinsic (doped) called p-type semiconductor layers (p layers), n-type semiconductor layers (n layers), and i layers sandwiched between p and n layers. Non- or lightly doped) semiconductor layer. When operating as a photodetector, the pin junction is often in a reverse bias situation and basically does not conduct current without light. When a photon with sufficient energy to excite electrons from the valence band level to the conduction band level is absorbed by the i layer, a pair of “free” electron-hole carriers is generated. Under the influence of a strong potential gradient formed by the lower energy levels provided by the p-layer for holes and by the n-layer for electrons, “free” electrons and hole carriers, respectively, Quickly move in the opposite direction in the i layer towards the layer, thereby generating a photocurrent that can be detected as an electronic signal by an external circuit and associated with the incident optical signal. Conventionally, ohmic contacts are provided on each of the p-layer and n-layer, thereby providing the anode contact and cathode contact of the PIN photodiode, respectively.

従来のPIN光検出器では、光電流は、基本的に、光吸収層として機能する真性層に生じる「自由な」キャリアに起因する。光吸収と、p型及びn型の半導体領域との間での光生成キャリアの輸送には、同一の空乏半導体層が使用されるため、従来のPIN光検出器の帯域幅、即ち、入射光に対する応答速度は、電子キャリアと比べて真性層内の正孔キャリアの非常に遅い輸送時間によって制限されることが多い。   In conventional PIN photodetectors, the photocurrent is essentially due to “free” carriers that occur in the intrinsic layer that functions as a light absorbing layer. Since the same depleted semiconductor layer is used for light absorption and transport of photogenerated carriers between the p-type and n-type semiconductor regions, the bandwidth of the conventional PIN photodetector, ie, incident light The response speed to is often limited by the very slow transport time of hole carriers in the intrinsic layer compared to electron carriers.

光検出器の帯域幅を拡大する一般的な方法は、電荷キャリアの輸送時間を減少するように光吸収層の垂直長さ(即ち、高さ又は厚み)を減少することである。これは、より大きな比容量に直接つながるため、容量を特定の規定値未満に維持するために、フォトダイオードの面積及びそれによる光検出面積を減少しなければならない。同時に、フォトダイオードの量子効率又は応答性は、光吸収領域の厚みの減少と共に減少する。   A common way to increase the photodetector bandwidth is to reduce the vertical length (ie, height or thickness) of the light absorbing layer so as to reduce the charge carrier transport time. Since this directly leads to a larger specific capacity, the area of the photodiode and thereby the light detection area must be reduced in order to keep the capacity below a certain specified value. At the same time, the quantum efficiency or responsiveness of the photodiode decreases with decreasing thickness of the light absorbing region.

従って、PINベースの光検出器特性の向上は、一方で帯域幅、他方で光検出領域の応答性及びサイズの間のトレードオフを示唆しており、これらのパラメータの内のいずれが光検出器の目的の用途に最も重要であるかによって決定されることが多い。   Thus, improvements in PIN-based photodetector characteristics suggest a trade-off between bandwidth on the one hand and response and size of the photodetection region on the other hand, and any of these parameters can be Often determined by what is most important for the intended use.

比容量を減少するためのアプローチは、対象の波長域の光を吸収しない真性のドリフト層を導入することにある。概略的に言えば、光吸収層において発生したキャリアは、電界及び夫々のキャリア移動度に比例するドリフト速度で収集層及び電極へ走行する。一般的に、キャリア速度は、それが飽和するまで電界と共に増加する。しかしながら、電子キャリアに関する飽和速度は、通常、正孔キャリアに関する飽和速度よりも低い電界において達成される。従って、大抵の従来のシステムの場合のように、印加される外部電界が制限され、正孔キャリアは、その飽和速度に到達しない場合が多い。正孔は電子よりも遅く走行するので、フォトダイオードの照射はp側から行われることが多く、正孔が走行する実効距離はより短くなることが分かるはずである。より速いキャリア(電子)のみがさらなるドリフト層を走行しなければならないように光検出器を設計することによって、ドリフト層は、輸送時間全体に対しては僅かに寄与するだけであるが、フォトダイオードの比容量を減少することには大きな効果を有する。   An approach to reduce the specific capacity is to introduce an intrinsic drift layer that does not absorb light in the wavelength range of interest. Generally speaking, the carriers generated in the light absorption layer travel to the collection layer and the electrode at a drift velocity proportional to the electric field and the respective carrier mobility. In general, the carrier velocity increases with the electric field until it saturates. However, saturation rates for electron carriers are usually achieved at lower electric fields than saturation rates for hole carriers. Thus, as in most conventional systems, the applied external electric field is limited and hole carriers often do not reach their saturation rate. Since the holes travel slower than the electrons, the photodiode is often irradiated from the p side, and it should be understood that the effective distance traveled by the holes is shorter. By designing the photodetector so that only faster carriers (electrons) must travel through the additional drift layer, the drift layer contributes only slightly to the overall transport time, but the photodiode Reducing the specific capacity has a great effect.

PINフォトダイオードの周波数応答及び飽和出力を向上するためのアプローチが、特許US5,818,096に提案されている。このアプローチは、従来のPINフォトダイオードのように同一の空乏の真性半導体層を使用する代わりに、2つの半導体層間で光吸収とキャリア走行の機能を分離することにある。特に、p型半導体層は、光吸収層として使用され、真性の非吸収半導体層は、キャリア輸送層として使用される。この構成では、キャリア走行層へのキャリア注入の応答時間は、基本的に、p型光吸収層における電子の拡散時間によって決まる。正孔キャリアは光吸収層内の電子の移動に関して応答するだけなので、光吸収層における正孔キャリアの応答時間は極めて短いため、電子輸送層における正孔キャリアのより遅いドリフト速度は、フォトダイオード応答に直接的には寄与しない。この結果、周波数応答及び飽和出力が向上される。しかしながら、この飽和出力における増大は、フォトダイオードの応答性が低くなることを示唆している。   An approach to improve the frequency response and saturation output of a PIN photodiode has been proposed in patent US 5,818,096. This approach is to separate the functions of light absorption and carrier travel between the two semiconductor layers instead of using the same depleted intrinsic semiconductor layer as in a conventional PIN photodiode. In particular, the p-type semiconductor layer is used as a light absorption layer, and the intrinsic non-absorption semiconductor layer is used as a carrier transport layer. In this configuration, the response time of carrier injection into the carrier transit layer is basically determined by the electron diffusion time in the p-type light absorption layer. Since hole carriers only respond with respect to the movement of electrons in the light-absorbing layer, the response time of hole carriers in the light-absorbing layer is very short, so the slower drift velocity of hole carriers in the electron-transporting layer is the response of the photodiode. Does not directly contribute to As a result, the frequency response and saturation output are improved. However, this increase in saturation output suggests that the response of the photodiode is reduced.

公開特許出願US2007/0096240A1は、飽和出力が低くなることと引き換えに応答性を改善するフォトダイオード構造を提案している。提案のフォトダイオード構造は、一般的な真性の光吸収層に加えて、さらなる光吸収層としてpドープ層やnドープ層を含む。この場合、ドープされた(非空乏化)吸収層内の少数キャリア(即ち、ドーピングキャリアとは反対の極性のキャリア)の移動は、基本的に、夫々の拡散時間によって決まる。さらに、少数キャリアは、この時、ドープされた吸収層から真性層まで急速に拡散し、従って、従来のPINフォトダイオードと比べて合計の輸送時間には大きく影響しない。さらなるドープ吸収層は、全体的な光吸収体積を増加するので、フォトダイオード応答性も高まる。   Published patent application US2007 / 0096240A1 proposes a photodiode structure which improves the response in exchange for a lower saturation output. The proposed photodiode structure includes a p-doped layer and an n-doped layer as a further light absorbing layer in addition to a general intrinsic light absorbing layer. In this case, the movement of minority carriers in the doped (non-depleted) absorption layer (i.e. carriers of the opposite polarity to the doping carriers) is basically determined by the respective diffusion times. Furthermore, minority carriers then diffuse rapidly from the doped absorption layer to the intrinsic layer, and therefore do not significantly affect the total transport time compared to conventional PIN photodiodes. The further doped absorption layer increases the overall light absorption volume, so that the photodiode response is also increased.

特許出願WO03/065416は、帯域幅を大きく減少することなくデバイスの応答性を高めるために改良したPINフォトダイオードを記載している。提案のフォトダイオードは、光吸収層として機能する第2のp型半導体層によって結合されたp型半導体層及びn型半導体層を有する。第2のp型半導体層は、キャリアのパスに沿って、アノード付近の高い値からカソードへ向かって低い値へ変化する傾斜pドーピング濃度を有する。傾斜pドーピング濃度は、吸収層内のキャリアの輸送時間を大幅に減少することなくフォトダイオードの正味吸収を増大する。かかる傾斜したドーピングは、同一の厚みの真性半導体と比べて容量を増大するが、傾斜したドーピングによって生成された疑似電界は、電子に対して、増大した容量を補償するより速い速度を与える可能性がある。   Patent application WO 03/0665416 describes an improved PIN photodiode to increase device responsiveness without greatly reducing bandwidth. The proposed photodiode has a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer coupled by a second p-type semiconductor layer that functions as a light absorption layer. The second p-type semiconductor layer has a graded p-doping concentration that varies from a high value near the anode to a low value toward the cathode along the carrier path. The graded p-doping concentration increases the net absorption of the photodiode without significantly reducing the transport time of carriers in the absorption layer. Such graded doping increases capacity compared to intrinsic semiconductors of the same thickness, but the pseudo electric field generated by graded doping may give electrons a faster rate to compensate for the increased capacity. There is.

従って、光検出器の応答性と容量の間との望ましいバランスを維持しながら向上した応答時間を提供することができる高速光検出器が必要とされている。   Accordingly, there is a need for a high speed photodetector that can provide improved response time while maintaining a desirable balance between photodetector responsivity and capacity.

本発明は、既存のシステムの上述の欠点及び不利益を考慮してなされたものであり、その目的は、光検出器の量子効率及び比容量を所望のレベル内に維持しながら向上した応答速度を有する光検出器を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks and disadvantages of existing systems, the purpose of which is to improve response speed while maintaining the quantum efficiency and specific capacity of the photodetector within desired levels. To provide a photodetector with

この目的は、独立請求項の主題によって解決される。有益な実施形態は、従属請求項の主題によって規定される。   This object is solved by the subject matter of the independent claims. Useful embodiments are defined by the subject matter of the dependent claims.

本発明によれば、光検出器であって、意図する範囲内の波長の光を吸収するように構成された第1のバンドギャップエネルギーを有する第1の半導体材料を含む第1の層と、前記第1の層の隣接側と接続する第2の層であって、前記第1のバンドギャップエネルギーよりも高い第2のバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体材料を含む第2の層とを備え、前記第1の層、前記第2の層、及び前記第1と第2の層との間の領域うちの少なくとも一つにおけるドーピング濃度の分布は、前記第2の層内に確立された非ゼロ電界が、同一の逆バイアス状況下で前記第1の層内に確立された電界よりも小さくなるというものである光検出器が提供される。 In accordance with the present invention, a first layer comprising a first semiconductor material having a first bandgap energy configured to absorb light of a wavelength within an intended range, the photodetector; A second layer connected to an adjacent side of the first layer, the second layer including a second semiconductor material having a second band gap energy higher than the first band gap energy; And a doping concentration distribution in at least one of the first layer, the second layer, and a region between the first and second layers is established in the second layer. A photodetector is provided in which the non-zero electric field is less than the electric field established in the first layer under the same reverse bias conditions.

本発明のさらなる発展形態では、前記ドーピング濃度は、前記第1の層の少なくとも一部が、前記逆バイアス状況下で実質的に空乏状態であるようなものである。   In a further development of the invention, the doping concentration is such that at least part of the first layer is substantially depleted under the reverse bias situation.

本発明のさらなる発展形態によれば、前記第2の層における前記ドーピング濃度は、前記第1の層における前記ドーピング濃度よりも高い。   According to a further development of the invention, the doping concentration in the second layer is higher than the doping concentration in the first layer.

本発明のさらなる発展形態によれば、前記第2の層に隣接する前記第1の層の領域における前記ドーピング濃度は、前記第1の層の前記領域外の前記第1の層の大部分における前記ドーピング濃度よりも高い。 According to a further development of the invention, the doping concentration in the region of the first layer adjacent to the second layer is in the majority of the first layer outside the region of the first layer. Higher than the doping concentration.

本発明の他の発展形態では、前記第1の層に隣接する前記第2の層の領域における前記ドーピング濃度は、前記第2の層の前記領域外の前記第2の層の大部分における前記ドーピング濃度よりも高い。   In another development of the invention, the doping concentration in the region of the second layer adjacent to the first layer is such that the majority of the second layer outside the region of the second layer. Higher than doping concentration.

本発明のさらなる発展形態では、前記第2の半導体材料は、軽度にn型にドープされた半導体材料でもよい。   In a further development of the invention, the second semiconductor material may be a lightly doped n-type semiconductor material.

本発明のさらなる発展形態では、前記第1のバンドギャップエネルギー及び前記第2のバンドギャップエネルギーは、前記第1の層及び前記第2の層の厚みに沿って実質的に均一である。   In a further development of the invention, the first band gap energy and the second band gap energy are substantially uniform along the thickness of the first layer and the second layer.

本発明のさらなる発展形態では、前記光検出器は、さらに、前記第1の層を前記第2の層と接続させる第3の層であって、前記第3の層の厚みに沿って傾斜バンドギャップエネルギーを有する第3の半導体材料を備える前記第3の層を備える。   In a further development of the invention, the photodetector is further a third layer connecting the first layer to the second layer, wherein the band is inclined along the thickness of the third layer. The third layer comprising a third semiconductor material having gap energy is provided.

本発明のさらなる発展形態では、前記傾斜バンドギャップエネルギーは、前記第1の層に面する前記第3の層の側における前記第1のバンドギャップエネルギーに実質的に等しい値から、前記第2の層に面する前記第3の層の側における前記第2のバンドギャップエネルギーに実質的に等しい値に増大する。   In a further development of the invention, the tilted bandgap energy is from a value substantially equal to the first bandgap energy on the side of the third layer facing the first layer, the second bandgap energy. Increasing to a value substantially equal to the second bandgap energy on the side of the third layer facing the layer.

本発明のさらなる発展形態によれば、前記第3の半導体材料は、前記第1の層に面する前記第3の層の前記側において前記第1の半導体材料と実質的に等しい組成から、前記第2の層に面する前記第3の層の前記側において前記第2の半導体材料と実質的に等しい組成に徐々に変化する傾斜組成を有してもよい。それに加えて、又はその代わりに、前記第3の半導体材料は、前記第2の層のドーパントと同一の型のドーパントがドープされた領域を含んでもよい。   According to a further development of the invention, the third semiconductor material has a composition substantially equal to the first semiconductor material on the side of the third layer facing the first layer, It may have a graded composition that gradually changes to a composition substantially equal to the second semiconductor material on the side of the third layer facing the second layer. In addition or alternatively, the third semiconductor material may include a region doped with a dopant of the same type as the dopant of the second layer.

本発明のさらなる発展形態では、前記第3の層は、前記第2の層及び/又は前記第1の層に含まれ、前記第3の層は、前記第2の層及び/又は前記第1の層の端側に設けられる。   In a further development of the invention, the third layer is included in the second layer and / or the first layer, and the third layer is comprised of the second layer and / or the first layer. It is provided on the end side of the layer.

本発明のさらなる発展形態によれば、前記光検出器は、さらに、外部電気回路に結合されるように構成される第1のオーミックコンタクトと、前記第1のオーミックコンタクトと前記第2の層とは反対側の前記第1の層の隣接側との間に配置される第4の層であって、第4のバンドギャップエネルギー及び第4のドーピング濃度を有する第4の半導体材料を備える第4の層とを備え、前記第4の層は、前記第1の層から前記第1のオーミックコンタクトへの輸送電流の抽出を容易にするための電流拡散層として機能するように構成される。   According to a further development of the present invention, the photodetector further includes a first ohmic contact configured to be coupled to an external electrical circuit, the first ohmic contact, and the second layer. Is a fourth layer disposed between the opposing side of the first layer on the opposite side and comprising a fourth semiconductor material having a fourth band gap energy and a fourth doping concentration. The fourth layer is configured to function as a current diffusion layer for facilitating extraction of a transport current from the first layer to the first ohmic contact.

前記第4のバンドギャップエネルギーは、前記第4の層が窓層であるように前記第1のバンドギャップエネルギーよりも高くてもよい。   The fourth band gap energy may be higher than the first band gap energy so that the fourth layer is a window layer.

本発明のさらなる他の発展形態では、前記光検出器は、さらに、外部電気回路に結合されるように構成される第2のオーミックコンタクトと、前記第2のオーミックコンタクトと前記第1の層とは反対側の前記第2の層の隣接側との間に配置された第5の層であって、第5のバンドギャップエネルギー及び第5のドーピング濃度を有する第5の半導体材料を備える第5の層とを備え、前記第5の層は、前記第2の層から前記第2のオーミックコンタクトへの輸送電流の抽出を容易にするための電流拡散層として機能するように構成される。   In yet another development of the invention, the photodetector further comprises a second ohmic contact configured to be coupled to an external electrical circuit, the second ohmic contact, and the first layer. Is a fifth layer disposed between the opposing side of the second layer on the opposite side and comprising a fifth semiconductor material having a fifth band gap energy and a fifth doping concentration The fifth layer is configured to function as a current diffusion layer for facilitating extraction of a transport current from the second layer to the second ohmic contact.

さらなる発展形態では、前記第1及び第2のオーミック電極の少なくとも一方はリング形状を有する。   In a further development, at least one of the first and second ohmic electrodes has a ring shape.

本発明のさらなる発展形態によれば、前記光検出器は、さらに、前記第2の層と前記第5の層の間に配置された第7の層であって、第7のバンドギャップエネルギー及び第7のドーピング濃度を有する第7の半導体材料を備える第7の層を備え、前記第7のバンドギャップエネルギーは、前記第7の層を通る少数キャリアの流れが遮断されるように前記第2のバンドギャップエネルギー及び前記第5のバンドギャップエネルギーよりも高い。   According to a further development of the present invention, the photodetector is further a seventh layer disposed between the second layer and the fifth layer, wherein the seventh band gap energy and A seventh layer comprising a seventh semiconductor material having a seventh doping concentration, wherein the seventh band gap energy is such that minority carrier flow through the seventh layer is interrupted. Higher than the fifth bandgap energy and the fifth bandgap energy.

本発明のさらなる発展形態によれば、前記第1の半導体材料はGaAs化合物を備え、前記第2〜第7の半導体材料のうち少なくとも一つはAlGaAs化合物を備える。   According to a further development of the invention, the first semiconductor material comprises a GaAs compound, and at least one of the second to seventh semiconductor materials comprises an AlGaAs compound.

添付の図面は、本発明の原理を説明するために本明細書に組み込まれてその一部を形成する。図面は、本発明がどのようになされて使用されることができるかを図示及び記載した例のみに本発明を限定するものと解釈されるべきではない。図面は、本発明がどのように実施されて使用されることができるかの有利な例や代替的な例を示す目的しかなく、図示の実施形態のみに本発明を限定するものと解釈されるべきではない。さらに、本実施形態のいくつかの態様は、個々に、又は様々な組み合わせにおいて、本発明に係る課題解決法を形成してもよい。以下に説明する実施形態は、従って、単独又はその任意の組み合わせのいずれかにおいて検討することができる。   The accompanying drawings are incorporated in and form a part of this specification to illustrate the principles of the invention. The drawings should not be construed to limit the invention to only the illustrated and described examples of how the invention can be made and used. The drawings are only for the purpose of illustrating advantageous or alternative examples of how the invention can be made and used, and are to be construed as limiting the invention only to the illustrated embodiments. Should not. Furthermore, some aspects of this embodiment may form a solution to the problem of the present invention individually or in various combinations. The embodiments described below can therefore be considered either alone or in any combination thereof.

さらなる特徴及び利点は、添付の図面に示す本発明の様々な実施形態の以下のより具体的な記載から明らかになり、図面では、同様の参照記号は同様の要素を指している。
本発明の一実施形態に係る光検出器の断面図を示す。 図1に示す光検出器のバンド図を示す。
Further features and advantages will become apparent from the following more specific description of various embodiments of the invention illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like elements.
1 shows a cross-sectional view of a photodetector according to an embodiment of the present invention. The band diagram of the photodetector shown in FIG. 1 is shown.

本発明によって構成された光検出器の有利な実施形態を、添付の図面を参照してさらに詳細に説明する。   Advantageous embodiments of photodetectors constructed in accordance with the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

後述のように、「真性半導体」という用語は、純粋な、ドープされていないという当該技術のその一般的な意味の範囲内で理解されるべきであり、非意図的にドープされた軽度にドープされた半導体も含んでもよい。「ドープされた」という用語は、後述する真性半導体のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するn型又はp型にドープされた半導体を指すために使用される。   As described below, the term “intrinsic semiconductor” should be understood within its general sense of the art as pure, undoped, and unintentionally doped lightly doped. It is also possible to include a modified semiconductor. The term “doped” is used to refer to an n-type or p-type doped semiconductor having a doping concentration higher than that of the intrinsic semiconductor described below.

図1は、本発明の一実施形態に係る光検出器の断面図を示す。図示の実施形態では、光検出器100は、基板101とは反対の光検出器100の側である上側から垂直に照射される。しかしながら、入射光が底側、即ち、光検出器基板101の側を照らす他の構成が構想されてもよい。さらに、「上」及び「底」という用語は、光検出器100の相対する側を特定することだけを目的として使用される相対的な用語と解釈されるべきであり、使用時の光検出器100の物理的な向きに関して限定するものと解釈されるべきではない。   FIG. 1 shows a cross-sectional view of a photodetector according to an embodiment of the present invention. In the illustrated embodiment, the photodetector 100 is irradiated vertically from the upper side, which is the side of the photodetector 100 opposite to the substrate 101. However, other configurations in which the incident light illuminates the bottom side, i.e. the side of the photodetector substrate 101, may be envisaged. Furthermore, the terms “top” and “bottom” should be construed as relative terms used only to identify the opposite sides of the photodetector 100, and the photodetector in use. It should not be construed as limiting with respect to 100 physical orientations.

光検出器100は、光吸収層として機能する第1の半導体層102と、入射光106の側とは反対の光吸収層102の隣接側に配置され、光吸収層102に接続する第2の半導体層104とを備える。第2の半導体層104は、後述のように、ドリフト層とも呼ばれるキャリア走行層として機能する。光検出器100は、さらに、光吸収層102とドリフト層104との間に配置された第3の半導体層105を備え、第3の半導体層105は、光吸収層102とドリフト層104の隣接側同士を接続している。第3の半導体層105は、後に説明するように、傾斜バンドギャップエネルギー層、即ち単純な傾斜層である。   The photodetector 100 is disposed on the adjacent side of the first semiconductor layer 102 functioning as the light absorption layer and the light absorption layer 102 opposite to the incident light 106 side, and is connected to the light absorption layer 102. A semiconductor layer 104. As will be described later, the second semiconductor layer 104 functions as a carrier traveling layer also called a drift layer. The photodetector 100 further includes a third semiconductor layer 105 disposed between the light absorption layer 102 and the drift layer 104, and the third semiconductor layer 105 is adjacent to the light absorption layer 102 and the drift layer 104. The sides are connected. As will be described later, the third semiconductor layer 105 is an inclined band gap energy layer, that is, a simple inclined layer.

ドリフト層104に隣接する側とは反対の光吸収層102の隣接側において、フォトダイオード100は、さらに、ドープされた半導体材料からなる第4の半導体層110を備え、第4の半導体層110は、後述のように、電流拡散層として機能する。第4の半導体層110と同じ型のドープされた半導体材料、図示の実施形態ではp型半導体を含む第1のコンタクト層112が、電流拡散層110の上部に設けられている。第1のコンタクト層112は、光検出器構造の上部に堆積した第1のオーミックコンタクト114との電流拡散層110の電気的接触を改善するためのものである。第1のコンタクト層112は、キャッピング層として機能してもよい。コンタクト層112上に形成される第1のオーミックコンタクト114は、好ましくは、下方の半導体層を完全には被覆せず、垂直な入射光106がp型コンタクト層112を直接照らすことができるようにリング形状を有する。第1のオーミックコンタクト114のこの設計により、入射光106は、オーミックコンタクト114を通らずに下方の半導体層に直接伝達される。他の実施形態では、第1のオーミックコンタクト114は、閉鎖円形状等の他の設計を備えてもよい。   On the adjacent side of the light absorption layer 102 opposite to the side adjacent to the drift layer 104, the photodiode 100 further includes a fourth semiconductor layer 110 made of a doped semiconductor material, and the fourth semiconductor layer 110 includes As described later, it functions as a current diffusion layer. A first contact layer 112 comprising a doped semiconductor material of the same type as the fourth semiconductor layer 110, in the illustrated embodiment a p-type semiconductor, is provided on top of the current spreading layer 110. The first contact layer 112 is for improving the electrical contact of the current spreading layer 110 with the first ohmic contact 114 deposited on top of the photodetector structure. The first contact layer 112 may function as a capping layer. The first ohmic contact 114 formed on the contact layer 112 preferably does not completely cover the underlying semiconductor layer so that the normal incident light 106 can directly illuminate the p-type contact layer 112. It has a ring shape. With this design of the first ohmic contact 114, the incident light 106 is directly transmitted to the lower semiconductor layer without passing through the ohmic contact 114. In other embodiments, the first ohmic contact 114 may comprise other designs, such as a closed circle shape.

光検出器100は、さらに、光吸収層102に隣接する側とは反対のドリフト層104の側に配置された第5の半導体層116を備える。第5の半導体層116も、光検出器100のこの側で電流拡散層として機能するので、第5の半導体層116は、第4の半導体層110とは反対の極性のキャリアを提供する不純物がドープされた半導体材料を備える。第5の半導体層116と基板101の間には、第5の半導体層116と同じドーピング型の半導体材料を含む第2のコンタクト層118が設けられる。図1に示すように、第2のコンタクト層118は、上方に形成された垂直に積層された半導体層の範囲を超えて基板101上に延在している。第2のコンタクト層118は、電流拡散層116と第2のコンタクト層118上に堆積した第2のオーミックコンタクト120との間の電気的結合を向上する。第1のオーミックコンタクト114と同様に、第2のオーミックコンタクト120は、好ましくは、第2のコンタクト層118上に堆積して半導体層の垂直積層構造の周りに同心的に配置された平らなリングの設計を備える。他の実施形態では、第2のオーミックコンタクト120は、その他の設計を採用してもよく、例えば、垂直積層構造の各側にて第2のコンタクト層118上に堆積した2つの平行なストライプ電極として設けられてもよい。   The photodetector 100 further includes a fifth semiconductor layer 116 disposed on the drift layer 104 side opposite to the side adjacent to the light absorption layer 102. Since the fifth semiconductor layer 116 also functions as a current diffusion layer on this side of the photodetector 100, the fifth semiconductor layer 116 has impurities that provide carriers of the opposite polarity to the fourth semiconductor layer 110. A doped semiconductor material is provided. Between the fifth semiconductor layer 116 and the substrate 101, a second contact layer 118 containing the same doping type semiconductor material as the fifth semiconductor layer 116 is provided. As shown in FIG. 1, the second contact layer 118 extends on the substrate 101 beyond the range of vertically stacked semiconductor layers formed above. The second contact layer 118 improves electrical coupling between the current spreading layer 116 and the second ohmic contact 120 deposited on the second contact layer 118. Similar to the first ohmic contact 114, the second ohmic contact 120 is preferably a flat ring deposited on the second contact layer 118 and concentrically disposed around the vertical stack of semiconductor layers. With the design. In other embodiments, the second ohmic contact 120 may employ other designs, for example, two parallel striped electrodes deposited on the second contact layer 118 on each side of the vertical stack. May be provided.

第1のオーミックコンタクト114及び第2のオーミックコンタクト120は、好ましくは、アルミニウム、銀、金又は銅等の導電性材料からなる。本実施形態では、第1及び第2のオーミックコンタクトは、夫々、フォトダイオード100を外部回路(図示せず)に電気的に接続するためのアノードコンタクト及びカソードコンタクトとして機能する。   The first ohmic contact 114 and the second ohmic contact 120 are preferably made of a conductive material such as aluminum, silver, gold, or copper. In the present embodiment, the first and second ohmic contacts function as an anode contact and a cathode contact for electrically connecting the photodiode 100 to an external circuit (not shown), respectively.

図1を参照して説明するように、光検出器100は、基板101上に垂直に積層された層のヘテロ構造として形成される。本実施形態では、基板は、GaAs化合物からなる。しかしながら、その他の種類の基板が使用されてもよい。即ち、基板は、AlGaAs化合物等の分布ブラッグ反射器(DBR)を提供するのに適した材料のものでもよい。他の実施形態では、第2のコンタクト層118自体は、光検出器構造の基板として機能してもよい。   As will be described with reference to FIG. 1, the photodetector 100 is formed as a heterostructure of layers stacked vertically on a substrate 101. In the present embodiment, the substrate is made of a GaAs compound. However, other types of substrates may be used. That is, the substrate may be of a material suitable for providing a distributed Bragg reflector (DBR) such as an AlGaAs compound. In other embodiments, the second contact layer 118 itself may function as a substrate for the photodetector structure.

光検出器100を形成する層のさらなる細部を図2を参照して説明し、図2は、図1に示す光検出器100に関するバンド図を示す。バンド図200は、図1に示す垂直方向124における光検出器層の厚みに沿う伝導帯端202と価電子帯端204の
変化を概略的に示す。各層に関するバンドギャップエネルギーは、バンド図200の垂直方向における各層の伝導帯端202と価電子帯端204との間の分離として描かれている。バンド図200における水平方向は、図1に示される光検出器100のアノード114とカソード120との間のキャリアの導電パスを表す。
Further details of the layers forming the photodetector 100 will be described with reference to FIG. 2, which shows a band diagram for the photodetector 100 shown in FIG. The band diagram 200 schematically shows the change of the conduction band edge 202 and the valence band edge 204 along the thickness of the photodetector layer in the vertical direction 124 shown in FIG. The band gap energy for each layer is depicted as the separation between the conduction band edge 202 and the valence band edge 204 of each layer in the vertical direction of the band diagram 200. The horizontal direction in the band diagram 200 represents a conductive path of carriers between the anode 114 and the cathode 120 of the photodetector 100 shown in FIG.

光検出器100の構造の基礎となる原理は、トリミングしたドーピングプロファイルによって大幅に低い電界において高い移動度によって特定されるドリフト層と結合した、印加された電界が高い薄い光吸収層を使用することにある。   The principle underlying the structure of the photodetector 100 is to use a thin light-absorbing layer with a high applied electric field combined with a drift layer specified by high mobility at a much lower electric field due to the trimmed doping profile. It is in.

より高い移動度を備える電荷キャリアのみがドリフト層104を走行しなければならないように光検出器100を設計すると有利である。この原理は、GaAs及びAlxGa1-xAs(X=0…1)化合物等の、電子が正孔よりも高い移動度を有する半導体材料に対して特に有利である一実施形態によって示されている。本実施形態は、電子のみ(より高い移動度を備えるキャリア)がドリフト層104を走行しなければならないが、正孔(より低い移動度を備えるキャリア)は、電流拡散層110に到達する前に光吸収層102の厚み未満又は最大でもそれに等しい距離を走行するだけでよい。 It is advantageous to design the photodetector 100 such that only charge carriers with higher mobility must travel through the drift layer 104. This principle is demonstrated by one embodiment that is particularly advantageous for semiconductor materials in which electrons have a higher mobility than holes, such as GaAs and Al x Ga 1-x As (X = 0... 1) compounds. ing. In this embodiment, only electrons (carriers with higher mobility) must travel through the drift layer 104, but holes (carriers with lower mobility) must reach the current spreading layer 110 before reaching the current spreading layer 110. It is only necessary to travel a distance less than or at most equal to the thickness of the light absorption layer 102.

光検出器100では、吸収層102は、真性の半導体材料を備え、対象の範囲内の波長を有する光子の吸収によって光吸収層102内での電子‐正孔対の発生を可能にするバンドギャップエネルギー206を有する。対象範囲が850nmの波長に近いという特定の場合において、光吸収層102は、好ましくは、真性のGaAs(i‐GaAs)半導体材料からなる。他の真性半導体材料に対するドープされていないGaAsのより低いバンドギャップエネルギーは、光通信において対象の波長における光吸収に適している。光吸収層102の垂直長さ(厚み)は、光検出器100にとって望ましい特定の特性に応じてカスタマイズされてもよい。光吸収層102の厚みに適した範囲は、約0.1μm〜2μmである。そのドープされていない状態のため、光吸収層102は、基本的に、光検出器100の動作中は空乏状態にあり、必要に応じて光吸収層102内に高電界プロファイル(電位勾配)が確立されることを支援する。高電界により、光吸収層102内の「自由な」キャリアの輸送時間を減少することが可能になる。   In the photodetector 100, the absorption layer 102 comprises an intrinsic semiconductor material and allows the generation of electron-hole pairs in the light absorption layer 102 by absorption of photons having wavelengths in the range of interest. It has energy 206. In the specific case where the target range is close to a wavelength of 850 nm, the light absorbing layer 102 is preferably made of intrinsic GaAs (i-GaAs) semiconductor material. The lower band gap energy of undoped GaAs relative to other intrinsic semiconductor materials is suitable for light absorption at wavelengths of interest in optical communications. The vertical length (thickness) of the light absorbing layer 102 may be customized according to the specific characteristics desired for the photodetector 100. A range suitable for the thickness of the light absorption layer 102 is about 0.1 μm to 2 μm. Due to its undoped state, the light absorption layer 102 is basically depleted during operation of the photodetector 100 and a high electric field profile (potential gradient) is present in the light absorption layer 102 as required. Helps to be established. The high electric field makes it possible to reduce the transport time of “free” carriers in the light absorbing layer 102.

ドリフト層104は、ドリフト層104が基本的にキャリア輸送層として機能するようにバンドギャップエネルギー208を有する半導体材料を備える。図2に示すように、ドリフト層104のバンドギャップエネルギー208は、光吸収層102のバンドギャップエネルギー206よりも大きい。特に、バンドギャップエネルギー208は、対象の範囲内の光波長においてドリフト層104によって光の吸収を防止、又は少なくとも大幅に減少するのに十分に大きい。図示の実施形態では、ドリフト層104は、真性又は軽度にn型にドープされたAlGaAs(AlxGa1-xAs,X=0…1)化合物半導体合金を含む。好ましくは、ドリフト層104には、最大5μmの垂直厚みが使用されてもよい。使用される特定の厚みは、その他の層、特に光吸収層102の相対的な厚みによって決まり、光検出器100に対して所望の特徴に応じてカスタマイズされてもよい。 The drift layer 104 comprises a semiconductor material having a band gap energy 208 such that the drift layer 104 basically functions as a carrier transport layer. As shown in FIG. 2, the band gap energy 208 of the drift layer 104 is larger than the band gap energy 206 of the light absorption layer 102. In particular, the bandgap energy 208 is large enough to prevent or at least significantly reduce light absorption by the drift layer 104 at light wavelengths within the range of interest. In the illustrated embodiment, the drift layer 104 includes an intrinsic or lightly n-type doped AlGaAs (Al x Ga 1-x As, X = 0... 1) compound semiconductor alloy. Preferably, a vertical thickness of up to 5 μm may be used for the drift layer 104. The particular thickness used depends on the relative thickness of the other layers, in particular the light absorbing layer 102, and may be customized for the photodetector 100 according to the desired characteristics.

ドリフト層104における電界は、後で説明するように光吸収層102における電界よりも低い。光吸収層102に対するドリフト層104における電界の減少は、光吸収層102に関する価電子帯端204及び伝導帯端202におけるより高い勾配からドリフト層104に関するより低い勾配への変化として図2に描かれている。この特有の勾配プロファイルは、上述の背景技術等の既知のPINフォトダイオード構造における吸収及び収集層の構造全体に現れる従来の一定の勾配とは対照的である。図2に描かれるように光吸収層102とドリフト層104との間の価電子帯端及び伝導帯端の勾配の差にも拘らず、光吸収層102及びドリフト層104のバンドギャップエネルギーは、夫々の層の厚みに沿って本質的に均一なままである。   The electric field in the drift layer 104 is lower than the electric field in the light absorption layer 102 as will be described later. The reduction in the electric field in the drift layer 104 relative to the light absorbing layer 102 is depicted in FIG. 2 as a change from a higher slope at the valence band edge 204 and conduction band edge 202 for the light absorbing layer 102 to a lower slope for the drift layer 104. ing. This unique gradient profile is in contrast to the conventional constant gradient that appears throughout the absorption and collection layer structures in known PIN photodiode structures such as the background art described above. Despite the difference in gradient between the valence band edge and the conduction band edge between the light absorption layer 102 and the drift layer 104 as depicted in FIG. 2, the band gap energy of the light absorption layer 102 and the drift layer 104 is It remains essentially uniform along the thickness of each layer.

本実施形態では、より高い電界の光吸収層102からより低い電界のドリフト層104への移行は、傾斜層105によって行われる。傾斜層105は、その垂直厚みに沿って徐々に変化する組成を有する半導体材料を備える。かかる半導体組成の段階的変化は、バンドギャップエネルギーの対応する段階的変化によって達成される。好ましくは、傾斜層105内の半導体組成は、バンドギャップエネルギーが、光吸収層102に直接隣接する傾斜層105の側では、光吸収層102のバンドギャップエネルギー206に実質的に等しく、ドリフト層104に直接隣接する傾斜層105の側ではドリフト層104のバンドギャップエネルギー208に実質的に等しい第2のバンドギャップエネルギーに向かって傾斜層105の垂直厚みに沿って徐々に変化するように、変化する。本実施形態では、半導体材料の組成は、図2に示すドリフト層104に向かって傾斜層105に沿うバンドギャップエネルギーの段階的な増加が得られるように変化する。   In this embodiment, the transition from the light absorption layer 102 with a higher electric field to the drift layer 104 with a lower electric field is performed by the gradient layer 105. The graded layer 105 comprises a semiconductor material having a composition that gradually changes along its vertical thickness. Such a step change in the semiconductor composition is achieved by a corresponding step change in the band gap energy. Preferably, the semiconductor composition in the graded layer 105 is such that the band gap energy is substantially equal to the band gap energy 206 of the light absorbing layer 102 on the side of the graded layer 105 immediately adjacent to the light absorbing layer 102 and the drift layer 104. On the side of the graded layer 105 immediately adjacent to the gradient layer 105 so as to gradually change along the vertical thickness of the graded layer 105 toward a second bandgap energy substantially equal to the bandgap energy 208 of the drift layer 104. . In the present embodiment, the composition of the semiconductor material changes so as to obtain a stepwise increase in band gap energy along the inclined layer 105 toward the drift layer 104 shown in FIG.

光吸収層102に対するドリフト層104での電界の減少は、光吸収層102、ドリフト層104、及びそれら2つの層の間の、図示の実施形態では傾斜層105を含む領域におけるドーパント濃度の分布によって実現される。有利な実施形態では、ドリフト層104における電界は、光吸収層102に隣接する傾斜層105の領域をn型ドーピングすることによって減少する。このドープされた領域は、傾斜層105よりも実質的に薄くてもよいが、傾斜層105と同じ厚みでもよい。ドリフト層104における電界の所望の減少を達成するのに、薄いドープ領域ほど高いドーピングレベルを要するが、厚い領域ほど低いドーピングレベルで済む。ドリフト層104における電界の特定の減少を達成する主な要因は、光吸収層102に直接隣接するドープされた領域に導入されたn型ドーパントによる合計の固定の比電荷であると認められる。本発明の他の実施形態では、ドリフト層104における電界の減少は、ドリフト層104自体の大部分のn型ドーピングによって達成される。また、この実施形態では、ドリフト層104における電界の減少は、単位面積当たりのn型ドーパントによる合計固定電荷によって制御されると認められる。その他の実施形態は、傾斜層105の一部のドーピングとドリフト層104の一部又は全体のドーピングを組み合わせてもよい。いずれにしても、ドリフト層104内で電界の所望の減少を生じるn型ドーパントの濃度は、キャリア輸送には関与するが対象領域において光を基本的に吸収しない層、即ち、傾斜層105及びドリフト層104に分布される。さらに他の実施形態は、ドリフト層104、又は、層105及び104を含む領域、及び/又は、層104に隣接する層102の領域における特定の箇所に置かれた大幅に高いドーピングレベルを備える1つ又は数か所の非常に狭い領域に沿って分布する可変のドーピングレベルを使用してもよい。上述のドーパント濃度の分布は、当該技術において周知であるため本明細書には記載していないドーピング技術を使用して達成されてもよい。   The reduction of the electric field in the drift layer 104 relative to the light absorption layer 102 is due to the distribution of the dopant concentration in the light absorption layer 102, the drift layer 104, and the region between the two layers, including the graded layer 105 in the illustrated embodiment. Realized. In an advantageous embodiment, the electric field in the drift layer 104 is reduced by n-type doping the region of the graded layer 105 adjacent to the light absorbing layer 102. This doped region may be substantially thinner than the graded layer 105, but may be the same thickness as the graded layer 105. To achieve the desired reduction in the electric field in the drift layer 104, a thinner doping region requires a higher doping level, but a thicker region requires a lower doping level. It is recognized that the main factor that achieves a specific reduction in the electric field in the drift layer 104 is the total fixed specific charge due to the n-type dopant introduced into the doped region directly adjacent to the light absorbing layer 102. In other embodiments of the present invention, the reduction of the electric field in the drift layer 104 is achieved by the n-type doping of most of the drift layer 104 itself. Also, in this embodiment, it is recognized that the electric field decrease in the drift layer 104 is controlled by the total fixed charge by the n-type dopant per unit area. Other embodiments may combine some doping of the graded layer 105 and some or all of the drift layer 104. In any case, the concentration of the n-type dopant that causes the desired reduction in the electric field within the drift layer 104 is the layer that participates in carrier transport but does not fundamentally absorb light in the region of interest, ie, the graded layer 105 and the drift layer. Distributed in layer 104. Still other embodiments comprise a significantly higher doping level placed at a particular location in the drift layer 104 or the region comprising the layers 105 and 104 and / or the region of the layer 102 adjacent to the layer 104 1. Variable doping levels distributed along one or several very narrow areas may be used. The dopant concentration distribution described above may be achieved using doping techniques that are not described herein as they are well known in the art.

また、一般に、電荷キャリアは、真性半導体材料においてより高い移動度を有すること、及び、この移動度は、この材料におけるドーピング濃度の上昇とともに低下することが認められる。従って、真性又は軽度にドープされたドリフト層104を採用すると有利である可能性があるが、ドリフト層104における電界の減少は、主に、キャリアの輸送時間に対する低下した移動度(ドーピングによって生じる)の影響が大きくならないように傾斜層105のほんの一部だけをドーピングすることによって達成される。   It is also generally observed that charge carriers have higher mobility in intrinsic semiconductor materials and that this mobility decreases with increasing doping concentration in this material. Thus, it may be advantageous to employ an intrinsically or lightly doped drift layer 104, but the reduction of the electric field in the drift layer 104 is primarily due to reduced mobility (caused by doping) with respect to carrier transport time. This is achieved by doping only a small part of the graded layer 105 so that the effect of.

光吸収層102が真性GaAs半導体材料を備え、ドリフト層104が真性又は軽度にnドープされたAlGaAs化合物を備える図示の実施形態では、傾斜層105は、傾斜濃度xのアルミニウムを含む軽度にnドープされたAlxGa1-xAs化合物を備える。パラメータxは、このとき、光吸収層102に直接隣接する側にてほぼゼロの値(GaAs)を採用し、ドリフト層104に直接隣接する側にて、ドリフト層104に使用されるAlxGa1-xAsのx濃度と類似の値に到達するまで傾斜層105に亘って徐々に増加する。傾斜バンドギャップエネルギーは、基本的に、少数キャリア、即ち、nドープされた半導体層の場合は正孔に対して作用する疑似電界を傾斜層105内に生成する。本実施形態では、傾斜層105は、僅かにドープされたn型半導体である。従って、生成された疑似電界は、基本的に、正孔の輸送速度を上げることによってドリフト層104から注入される正孔キャリアに作用する。この効果は、図2において、傾斜層105の価電子帯端の増大した勾配によって描かれている。また、傾斜層105は、光吸収層102とドリフト層104との間のバンドギャップエネルギーの差から生じる光吸収層102とドリフト層104の価電子帯端の間の不一致を補償する。さらに、光吸収層102に近い領域内の傾斜層105のバンドギャップエネルギーは、光吸収層102のバンドギャップエネルギーと同等であるため、入射光子は、傾斜層105の一部の上方で吸収される可能性もある。他の実施形態では、傾斜層105は、傾斜半導体化合物に加えて、又はその代わりに、傾斜したドーピング濃度を示してもよい。傾斜したドーピング濃度は、両方の種類のキャリア、即ち、正孔及び電子に作用するさらなる電界を生成し、従って、夫々の輸送時間を減少することに寄与する。従って、p‐i‐n結合に亘って変化する電界を慎重に調整することで、両種類のキャリアのより短い輸送時間を達成することができる。 In the illustrated embodiment, where the light absorbing layer 102 comprises an intrinsic GaAs semiconductor material and the drift layer 104 comprises an intrinsic or lightly n-doped AlGaAs compound, the graded layer 105 is lightly n-doped comprising a graded concentration of aluminum. The prepared Al x Ga 1-x As compound. At this time, the parameter x employs a substantially zero value (GaAs) on the side directly adjacent to the light absorption layer 102, and Al x Ga used for the drift layer 104 on the side directly adjacent to the drift layer 104. It gradually increases across the gradient layer 105 until a value similar to the x concentration of 1-x As is reached. The graded bandgap energy basically generates a pseudo-electric field in the graded layer 105 that acts on minority carriers, ie, holes in the case of n-doped semiconductor layers. In this embodiment, the graded layer 105 is a slightly doped n-type semiconductor. Therefore, the generated pseudo electric field basically acts on hole carriers injected from the drift layer 104 by increasing the hole transport rate. This effect is illustrated in FIG. 2 by the increased gradient of the valence band edge of the graded layer 105. Further, the gradient layer 105 compensates for a mismatch between the light absorption layer 102 and the drift layer 104 due to the difference in band gap energy between the light absorption layer 102 and the drift layer 104. Furthermore, since the band gap energy of the gradient layer 105 in the region near the light absorption layer 102 is equal to the band gap energy of the light absorption layer 102, incident photons are absorbed above a part of the gradient layer 105. There is a possibility. In other embodiments, the graded layer 105 may exhibit a graded doping concentration in addition to or instead of the graded semiconductor compound. The graded doping concentration creates an additional electric field acting on both types of carriers, i.e. holes and electrons, and thus contributes to reducing the respective transport time. Therefore, by carefully adjusting the electric field that varies across the pin bond, shorter transport times for both types of carriers can be achieved.

他の実施形態では、傾斜層105は、AlxGa1-xAs化合物の2つ以上の層の複層構造として実施されてもよく、各層は、先立つ層(1つ又は複数)における濃度xに対して徐々に増加する濃度xを有する。他の実施形態では、バンドギャップ傾斜効果提供傾斜層105は、光吸収層102及びドリフト層104の何れか又は両方に組み込まれる傾斜組成の領域によって置き換えられてもよい。この構成では、傾斜層105は物理的には存在しないが、光吸収層102及び/又はドリフト層104に含まれており、光吸収層102とドリフト層104は、この場合、夫々の対応する隣接側によって直接接続されている。上述の傾斜層105と類似の材料組成における傾斜は、光吸収層102(又はドリフト層104)の大部分の材料組成やドーピングからのドリフト層104(又は光吸収層102)の大部分の材料組成やドーピングへの段階的移行が達成されるように、ドリフト層104と接続する光吸収層102の端領域内、又は光吸収層102と接続するドリフト層104の端領域内で実施することができる。 In other embodiments, the graded layer 105 may be implemented as a multilayer structure of two or more layers of Al x Ga 1-x As compounds, each layer having a concentration x in the preceding layer (s). Has a gradually increasing concentration x. In other embodiments, the band gap gradient effect providing graded layer 105 may be replaced by a region of graded composition incorporated into either or both of the light absorbing layer 102 and the drift layer 104. In this configuration, the graded layer 105 is not physically present, but is included in the light absorbing layer 102 and / or the drift layer 104, where the light absorbing layer 102 and the drift layer 104 are in this case their respective adjacent neighbors. Connected directly by the side. The gradient in the material composition similar to that of the gradient layer 105 described above is that the material composition of most of the light absorption layer 102 (or drift layer 104) and the material composition of most of the drift layer 104 (or light absorption layer 102) from doping. Or in the end region of the light absorption layer 102 connected to the drift layer 104 or in the end region of the drift layer 104 connected to the light absorption layer 102 so that a gradual transition to doping is achieved. .

上述のように、光吸収層102とpコンタクト層112との間にはp側電流拡散層110が配置されている。p側電流拡散層110は、アノード114へ光検出器100の電流を抽出することを支援する機能を有する。即ち、アノード114がリングコンタクトである場合、p側電流拡散層110は、光検出器100の抵抗を減少することを支援する。好ましくは、p側電流拡散層110は、直接隣接する光吸収層102に光吸収を制限するように光吸収層102のバンドギャップエネルギー206よりも十分に高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を含む。この意味で、p側電流拡散層110は、光検出器100の上側(即ち、図示の実施形態ではp側)に入射する光が減衰せずに通過することを可能にするため、窓層として機能する。さらに、光吸収層102と比べてp側電流拡散層110の非常に高いバンドギャップエネルギーも、光吸収層102に生じた電子キャリアがアノード114に向かって流れることを防止する。また、p側電流拡散層110は、光検出器100の光応答にノイズ成分を追加するアノード114から光吸収層102への電子の流れを遮断することにも寄与する。好ましくは、p側電流拡散層110に使用される半導体材料は、pドープされたAlGaAs化合物である。p側電流拡散層110のドーピング濃度は、好ましくは、光吸収層102のドーピング濃度よりも高く、pコンタクト層112のドーピング濃度よりも大幅に低い。好ましくは、pコンタクト層112は、pドープされたGaAs化合物等の重度にドープされたp型半導体である。   As described above, the p-side current diffusion layer 110 is disposed between the light absorption layer 102 and the p contact layer 112. The p-side current diffusion layer 110 has a function of supporting the extraction of the current of the photodetector 100 to the anode 114. That is, when the anode 114 is a ring contact, the p-side current diffusion layer 110 assists in reducing the resistance of the photodetector 100. Preferably, the p-side current diffusion layer 110 includes a semiconductor material having a band gap energy sufficiently higher than the band gap energy 206 of the light absorption layer 102 so as to limit light absorption to the light absorption layer 102 directly adjacent thereto. In this sense, the p-side current spreading layer 110 is used as a window layer to allow light incident on the upper side of the photodetector 100 (that is, the p-side in the illustrated embodiment) to pass without being attenuated. Function. Furthermore, the extremely high band gap energy of the p-side current diffusion layer 110 compared to the light absorption layer 102 also prevents the electron carriers generated in the light absorption layer 102 from flowing toward the anode 114. The p-side current diffusion layer 110 also contributes to blocking the flow of electrons from the anode 114 that adds a noise component to the optical response of the photodetector 100 to the light absorption layer 102. Preferably, the semiconductor material used for the p-side current spreading layer 110 is a p-doped AlGaAs compound. The doping concentration of the p-side current diffusion layer 110 is preferably higher than the doping concentration of the light absorption layer 102 and significantly lower than the doping concentration of the p contact layer 112. Preferably, the p contact layer 112 is a heavily doped p-type semiconductor such as a p-doped GaAs compound.

上述のように、光検出器100は、光検出器100のn側にも電流拡散層116を備える。n側電流拡散層116は、p側電流拡散層110と類似の機能を提供するが、光検出器100のnドープ側の特性に適応させている。特に、n側電流拡散層116は、好ましくは、対象の波長における入射光の吸収に寄与せず、アノード114に向かう光生成正孔キャリアの移動を促進するように、ドリフト層104、傾斜層105及び光吸収層102のバンドギャップエネルギー208よりも高いバンドギャップエネルギーを有するnドープされた半導体材料を備える。さらに、n側電流拡散層116のバンドギャップエネルギーは、nコンタクト層118のバンドギャップエネルギーよりも大幅に高い。従って、nコンタクト層118からドリフト層104への正孔キャリアの流れも遮断され、それにより、光検出器100の応答におけるノイズ成分を減少する。好ましくは、n側電流拡散層116は、nドープされたAlGaAs化合物層として設けられる。nコンタクト層118に適した材料は、nドープされたGaAs材料である。   As described above, the photodetector 100 includes the current diffusion layer 116 on the n side of the photodetector 100 as well. The n-side current spreading layer 116 provides a function similar to that of the p-side current spreading layer 110, but is adapted to the characteristics of the n-doped side of the photodetector 100. In particular, the n-side current spreading layer 116 preferably does not contribute to the absorption of incident light at the wavelength of interest, and drift layer 104, graded layer 105 so as to promote the movement of photogenerated hole carriers towards the anode 114. And an n-doped semiconductor material having a band gap energy higher than the band gap energy 208 of the light absorption layer 102. Furthermore, the band gap energy of the n-side current diffusion layer 116 is significantly higher than the band gap energy of the n contact layer 118. Accordingly, the flow of hole carriers from the n-contact layer 118 to the drift layer 104 is also blocked, thereby reducing the noise component in the response of the photodetector 100. Preferably, the n-side current diffusion layer 116 is provided as an n-doped AlGaAs compound layer. A suitable material for the n-contact layer 118 is an n-doped GaAs material.

電流拡散層の厚みは、光検出器構造のその他の層の厚み等の光検出器100の特性に応じてカスタマイズされ、それらの特定のドーピング濃度は、所望の電流拡散機能を提供するために当該技術において一般的に使用されている任意のものでもよい。好ましくは、p側電流拡散層110及び/又はn側電流拡散層116の厚みは、実質的に1μmから2μmとの間である。その他の実施形態では、光検出器のp側及び/又はn側における電流拡散層の存在は省略してもよい。例えば、光検出器が、基板としても機能するnコンタクト層を有する実施形態では、光検出器の底部全体が導電性であるため、光検出器のn側における電流拡散層の機能はあまり重要ではない。かかる構成では、n側電流拡散層は省略してもよい。   The thickness of the current spreading layer is customized according to the characteristics of the photo detector 100, such as the thickness of other layers of the photo detector structure, and their specific doping concentration is used to provide the desired current spreading function. Any of those commonly used in the art may be used. Preferably, the thickness of the p-side current spreading layer 110 and / or the n-side current spreading layer 116 is substantially between 1 μm and 2 μm. In other embodiments, the presence of a current spreading layer on the p-side and / or n-side of the photodetector may be omitted. For example, in an embodiment where the photodetector has an n contact layer that also functions as a substrate, the function of the current spreading layer on the n side of the photodetector is less important because the entire bottom of the photodetector is conductive. Absent. In such a configuration, the n-side current diffusion layer may be omitted.

カソード側からドリフト層104及び光吸収層102への正孔キャリアの流れを阻止するためのさらなる寄与が、ドリフト層104とn側電流拡散層116の間に配置された薄い半導体バリア層122によって提供されてもよい。カソード側からの正孔キャリアがドリフト層104に進入してしまった場合、正孔キャリアは、アノード114に向かってドリフト及び吸収領域内へ掃き出され、光検出器応答においてさらなるノイズ成分を生じる。かかるノイズ成分が重要ではない場合、バリア層122は、光検出器100の構造において省略してもよい。バリア層122に関するドーピング濃度及びバンドギャップエネルギーは、バリア層122自体における少数キャリア、即ち、ドーピングの極性とは反対の極性のキャリアの流れに対抗する所望のキャリア遮蔽効果を提供するように選択される。好ましくは、バリア層122のバンドギャップエネルギーは、隣接するドリフト層104のバンドギャップエネルギー及びn側電流拡散層116のバンドギャップエネルギーよりも大きい。図示の実施形態では、バリア層122は、略20nmの垂直厚みを有するnドープされたAlGaAs化合物からなる。しかしながら、その他の半導体材料及び/又はドーピング濃度は、バリア層に関する所望の遮断効果を達成するために光検出器の特定のパラメータに基づいて、当業者によって容易に決定することができる。他の実施形態では、バリア層122は、エッチング停止層としても機能してもよい。   A further contribution to block hole carrier flow from the cathode side to the drift layer 104 and the light absorption layer 102 is provided by a thin semiconductor barrier layer 122 disposed between the drift layer 104 and the n-side current spreading layer 116. May be. If hole carriers from the cathode side enter the drift layer 104, the hole carriers are swept out into the drift and absorption region toward the anode 114, creating an additional noise component in the photodetector response. If such noise components are not important, the barrier layer 122 may be omitted in the structure of the photodetector 100. The doping concentration and bandgap energy for the barrier layer 122 are selected to provide a desired carrier shielding effect against the flow of minority carriers in the barrier layer 122 itself, i.e., the opposite polarity to the polarity of the doping. . Preferably, the band gap energy of the barrier layer 122 is larger than the band gap energy of the adjacent drift layer 104 and the band gap energy of the n-side current diffusion layer 116. In the illustrated embodiment, the barrier layer 122 comprises an n-doped AlGaAs compound having a vertical thickness of approximately 20 nm. However, other semiconductor materials and / or doping concentrations can be readily determined by those skilled in the art based on specific parameters of the photodetector to achieve the desired blocking effect for the barrier layer. In other embodiments, the barrier layer 122 may also function as an etch stop layer.

他の実施形態では、光検出器100は、さらに、アノード114から光吸収層102への電子キャリアの流れを遮断するように光吸収層102とp側電流拡散層110との間に配置されたpドープされた半導体のバリア層を備えていてもよい。pドープ及びnドープされたバリア層は、このとき、特定の用途に応じて光検出器のp側及びn側の両方又は一方のみに設けられてもよい。   In other embodiments, the photodetector 100 is further disposed between the light absorbing layer 102 and the p-side current spreading layer 110 to block the flow of electron carriers from the anode 114 to the light absorbing layer 102. A p-doped semiconductor barrier layer may be provided. The p-doped and n-doped barrier layers may then be provided on both or only the p-side and n-side of the photodetector, depending on the specific application.

上述のように光検出器100のGaAs/AlGaAsベースの構造を形成するために使用されるドーピングレベル及び厚みの例示的な値が表1にまとめられている。当該技術において一般的に使用されているように、p++という記号は、重度にpドープされた材料を指し、p及びnは、夫々、適度なレベルのpドーピング及びnドーピングを指す。 Exemplary values for doping levels and thicknesses used to form the GaAs / AlGaAs-based structure of photodetector 100 as described above are summarized in Table 1. As commonly used in the art, the symbol p ++ refers to heavily p-doped material, and p + and n + refer to moderate levels of p-doping and n-doping, respectively.

Figure 0006466416
Figure 0006466416

図1及び図2には示されていないが、光検出器100は、性能を改善するためのさらなる機能層を備えていてもよい。例えば、より低ドーピングの「セットバック」層が、真性半導体層の隣に挿入されてもよい。さらに、上述の実施形態は、GaAs及びAlGaAs材料に基づく層のヘテロ構造を有する光検出器を参照して説明したが、本発明は、選択された半導体材料が、上述のバンドギャップエネルギー及び/又はドーピング濃度の相対関係に従うバンドギャップエネルギー及び/又はドーピング濃度を有する限り、GaAa及びAlGaAsの代わりに夫々その他の化合物又は基本的な半導体材料を使用して実施してもよい。さらに、本発明は垂直に照らされる構造を参照して記載されているが、本発明の原理は、導波路構造を有する光検出器に適用してもよい。当業者には容易に認識されるように、「垂直に照らされる」及び「垂直積層構造」という用語は、光検出器の使用又は構造を垂直な向きに限定することを意図せず、水平積層構造に沿う光信号の検出及び/又は垂直積層構造を有する光検出器等、その他の向きが採用されてもよい。さらに、上述の光検出器構造の原理は、共振空洞増強(RCE)型の光検出器に埋め込むことができるので有利である。   Although not shown in FIGS. 1 and 2, the photodetector 100 may include additional functional layers to improve performance. For example, a less doped “setback” layer may be inserted next to the intrinsic semiconductor layer. Further, while the above embodiments have been described with reference to photodetectors having a heterostructure of layers based on GaAs and AlGaAs materials, the present invention is directed to the selected semiconductor material having the above described band gap energy and / or Other compounds or basic semiconductor materials may be used instead of GaAa and AlGaAs as long as they have band gap energy and / or doping concentration according to the relative relationship of doping concentration. Furthermore, although the invention has been described with reference to a vertically illuminated structure, the principles of the invention may be applied to photodetectors having a waveguide structure. As will be readily appreciated by those skilled in the art, the terms “vertically illuminated” and “vertically stacked structure” are not intended to limit the use or structure of the photodetector to a vertical orientation, Other orientations may be employed, such as detection of optical signals along the structure and / or photodetectors having a vertically stacked structure. Furthermore, the principle of the photodetector structure described above is advantageous because it can be embedded in a resonant cavity enhanced (RCE) type photodetector.

100 光検出器
101 基板
102 光吸収層
104 ドリフト層
106 入射光
105 傾斜バンドギャップ層(傾斜層)
110 窓、p型電流拡散層
112 キャッピング及びpコンタクト層
114 アノード
116 n側電流拡散層
118 nコンタクト層
120 カソード
122 少数キャリア(正孔)に対するバリア(及びエッチング停止として機能することができる)
124 垂直方向
200 バンドギャップ図
202 伝導帯端
204 価電子帯端
206 光吸収層のバンドギャップエネルギー
208 ドリフト層のバンドギャップエネルギー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Photodetector 101 Substrate 102 Light absorption layer 104 Drift layer 106 Incident light 105 Inclined band gap layer (gradient layer)
110 window, p-type current spreading layer 112 capping and p contact layer 114 anode 116 n side current spreading layer 118 n contact layer 120 cathode 122 barrier to minority carriers (holes) (and can serve as an etch stop)
124 vertical direction 200 band gap diagram 202 conduction band edge 204 valence band edge 206 band gap energy 208 of light absorption layer 208 band gap energy of drift layer

Claims (14)

光検出器であって、
意図する範囲内の波長の光を吸収するように構成された第1のバンドギャップエネルギーと、第1の電界と、第1のドーピング濃度とを有し、GaAs化合物を含む第1の半導体材料を含む第1の層と、
前記第1の層の隣接側と接続し、前記第1のバンドギャップエネルギーよりも高い第2のバンドギャップエネルギーを有し、AlGaAs化合物を含む第2の半導体材料を含む第2の層と
前記第1の層を前記第2の層に接続させる第3の層であって、前記第3の層の厚みに沿って傾斜バンドギャップエネルギーを有する第3の半導体材料を備える第3の層と、
前記第2の層とは反対の前記第1の層の隣接側に配置され、第4のバンドギャップエネルギー及び第4のドーピング濃度を有する第4の半導体材料を含む第4の層とを備え、
前記第1の層、前記第2の層、及び前記第3の層におけるドーピング濃度の分布は、前記第2の層内に確立される非ゼロ電界が、同一の逆バイアス状況下で前記第1の層内に確立される電界よりも小さくなるというものであり、
前記傾斜バンドギャップエネルギーは、前記第1の層に面する前記第3の層の側における前記第1のバンドギャップエネルギーに実質的に等しい値から、前記第2の層に面する前記第3の層の側における前記第2のバンドギャップエネルギーに実質的に等しい値に増大し、
前記光検出器は、前記第1の層とは反対の前記第4の層の隣接側に配置されるコンタクト層を更に備え、前記コンタクト層は、バンドギャップエネルギー及び第4のドーピング濃度よりも大きいドーピング濃度を有する半導体材料を含み、入射光が前記コンタクト層に直接入射する光検出器。
A photodetector,
A first band gap energy that is configured to absorb light of a wavelength within the intended scope, a first field, possess a first doping concentration, a first semiconductor material comprising a GaAs compound A first layer comprising:
A second layer connected to an adjacent side of the first layer and having a second band gap energy higher than the first band gap energy and comprising a second semiconductor material comprising an AlGaAs compound ;
A third layer connecting the first layer to the second layer, the third layer comprising a third semiconductor material having a graded bandgap energy along the thickness of the third layer; ,
A fourth layer disposed on an adjacent side of the first layer opposite to the second layer and comprising a fourth semiconductor material having a fourth band gap energy and a fourth doping concentration;
The doping concentration distribution in the first layer, the second layer, and the third layer indicates that the non-zero electric field established in the second layer is the same under the same reverse bias condition. Less than the electric field established in the layer of
The tilted bandgap energy is from a value substantially equal to the first bandgap energy on the third layer side facing the first layer, from the third layer facing the second layer. Increasing to a value substantially equal to the second band gap energy on the layer side;
The photodetector further includes a contact layer disposed on an adjacent side of the fourth layer opposite to the first layer, the contact layer being greater than a bandgap energy and a fourth doping concentration. A photodetector comprising a semiconductor material having a doping concentration, wherein incident light is directly incident on the contact layer .
前記逆バイアス状況下で、前記第1の層の少なくとも一部が、実質的に空乏状態であり、前記第2の層における前記ドーピング濃度は、前記第1の層における前記ドーピング濃度よりも高い請求項に記載の光検出器。 Under the reverse bias condition , at least a portion of the first layer is substantially depleted and the doping concentration in the second layer is higher than the doping concentration in the first layer. Item 2. The photodetector according to Item 1 . 前記第2の半導体材料は、軽度にn型にドープされた半導体材料である請求項に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 1 , wherein the second semiconductor material is a lightly doped semiconductor material. 前記第1のバンドギャップエネルギー及び前記第2のバンドギャップエネルギーは、前記第1の層及び前記第2の層の厚みに沿って実質的に均一である、
請求項に記載の光検出器。
The first band gap energy and the second band gap energy are substantially uniform along the thickness of the first layer and the second layer,
The photodetector according to claim 1 .
前記第3の半導体材料は、前記第1の層に面する前記第3の層の側において前記第1の半導体材料と実質的に等しい組成から、前記第2の層に面する前記第3の層の側において前記第2の半導体材料と実質的に等しい組成に徐々に変化する傾斜組成を有する請求項に記載の光検出器。 The third semiconductor material faces the second layer from a composition substantially equal to the first semiconductor material on the side of the third layer facing the first layer. the photodetector of claim 1 having a graded composition varying gradually in the second semiconductor material substantially equal composition on the side of the layer. 前記第3の半導体材料は、前記第2層のドーパントと同一の型のドーパントによってドープされた領域を備える請求項に記載の光検出器。 The photodetector of claim 1 , wherein the third semiconductor material comprises a region doped with a dopant of the same type as the dopant of the second layer. 外部電気回路に結合する第1のオーミックコンタクトをさらに備え、
前記第4の層は、前記第1の層から前記第1のオーミックコンタクトへの輸送電流の抽出を容易にするための電流拡散層として機能するように構成される請求項に記載の光検出器。
A first ohmic contact coupled to the external electrical circuit;
The light detection according to claim 1 , wherein the fourth layer is configured to function as a current diffusion layer for facilitating extraction of a transport current from the first layer to the first ohmic contact. vessel.
前記第1の層は前記第1のドーピング濃度を有し、前記第4のドーピング濃度は、前記第1のドーピング濃度よりも高い請求項に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 1 , wherein the first layer has the first doping concentration, and the fourth doping concentration is higher than the first doping concentration. 前記第4のバンドギャップエネルギーは、前記第1のバンドギャップエネルギーよりも高い請求項に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 1 , wherein the fourth band gap energy is higher than the first band gap energy. 外部電気回路に結合されるように構成された第2のオーミックコンタクトと、前記第2のオーミックコンタクトと前記第1の層とは反対側の前記第2の層の側面との間に配置された第5の層と、をさらに備え、
前記第5の層は、前記第2のバンドギャップエネルギーよりも高い第5のバンドギャップエネルギーを有するとともに、第5のドーピング濃度を有する請求項に記載の光検出器。
Disposed between a second ohmic contact configured to be coupled to an external electrical circuit, and a side surface of the second layer opposite the first ohmic contact and the first layer A fifth layer,
The photodetector according to claim 1 , wherein the fifth layer has a fifth band gap energy higher than the second band gap energy and has a fifth doping concentration.
第1及び第2のオーミックコンタクトの少なくとも一方はリング形状を有する請求項10に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 10 , wherein at least one of the first and second ohmic contacts has a ring shape. 前記第2の層と前記第5の層との間に配置されるバリア層をさらに備え、
前記バリア層は、第6のバンドギャップエネルギーと第6のドーピング濃度を有する第6の半導体材料を含み、
第6のバンドギャップエネルギーは、第2のバンドギャップエネルギー及び第5のバンドギャップエネルギーよりも高い請求項10に記載の光検出器。
Further comprising a barrier layer disposed between the second layer and the fifth layer;
The barrier layer includes a sixth semiconductor material having a sixth bandgap energy and a sixth doping concentration;
The photodetector according to claim 10 , wherein the sixth band gap energy is higher than the second band gap energy and the fifth band gap energy.
前記第6の半導体材料は、nドープされたAlGaAs化合物を含み、
前記バリア層は、20nmの厚さを有する請求項12に記載の光検出器。
The sixth semiconductor material comprises an n-doped AlGaAs compound;
The photodetector according to claim 12 , wherein the barrier layer has a thickness of 20 nm.
前記第1の半導体材料は、真性GaAs化合物を含み、
前記第2の半導体材料は、真性または軽度にnドープされたAlGaAs化合物を含み、
前記第3の半導体材料は、アルミニウムの濃度が段階的に変化する軽度にnドープされたAlGaAs化合物を含み、
前記アルミニウムの濃度は、前記第1の層に隣接する前記第3の層の第1の側において実質的にゼロの値であり、前記第2の層に隣接する前記第3の層の第2の側へ向かう前記第3の層に亘って徐々に増加し、
前記第2の側における前記アルミニウムの濃度は、前記第2の半導体材料の前記AlGaAs化合物のアルミニウムの濃度と実質的に等しい値である請求項1に記載の光検出器。
The first semiconductor material comprises an intrinsic GaAs compound;
The second semiconductor material comprises an intrinsic or lightly n-doped AlGaAs compound;
The third semiconductor material includes a lightly n-doped AlGaAs compound in which the concentration of aluminum changes stepwise;
The aluminum concentration is substantially zero on the first side of the third layer adjacent to the first layer and the second concentration of the third layer adjacent to the second layer . Gradually increasing over the third layer towards the side of
The photodetector according to claim 1, wherein a concentration of the aluminum on the second side is substantially equal to a concentration of aluminum of the AlGaAs compound of the second semiconductor material.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11043604B2 (en) * 2015-07-28 2021-06-22 University Of Rochester Low dark current, resonant cavity-enhanced infrared photodetectors
JP6880601B2 (en) * 2016-08-22 2021-06-02 富士通株式会社 Photodetector and imaging device
US10396527B2 (en) * 2017-06-14 2019-08-27 Mellanox Technologies, Ltd. Vertical-cavity surface-emitting laser with high modulation speed
US10490687B2 (en) 2018-01-29 2019-11-26 Waymo Llc Controlling detection time in photodetectors
CN109244152B (en) * 2018-08-02 2023-09-29 芯思杰技术(深圳)股份有限公司 Short-distance communication high-speed photodiode chip and manufacturing method thereof
UA120025C2 (en) * 2019-03-26 2019-09-10 Андрій Дмитрович Хворостяний SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR
TWI835924B (en) * 2019-11-18 2024-03-21 晶元光電股份有限公司 Photodetector
CN112420859B (en) * 2020-11-18 2022-05-13 上海科技大学 Photoelectric detector with partially depleted 850nm wave band absorption region and preparation method thereof
CN114520270B (en) * 2020-11-20 2024-07-05 苏州华太电子技术股份有限公司 Indirect band gap semiconductor photoelectric detection device and manufacturing method thereof
CN114864730A (en) * 2021-02-04 2022-08-05 迈络思科技有限公司 PIN type photodiode with high modulation speed

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2256746B (en) * 1991-06-12 1995-05-03 Marconi Gec Ltd Semiconductor devices
US5576559A (en) * 1994-11-01 1996-11-19 Intevac, Inc. Heterojunction electron transfer device
US5818096A (en) 1996-04-05 1998-10-06 Nippon Telegraph And Telephone Corp. Pin photodiode with improved frequency response and saturation output
JP2000223736A (en) * 1999-01-28 2000-08-11 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Metal/semiconductor/metallic light receiving element
US7202102B2 (en) 2001-11-27 2007-04-10 Jds Uniphase Corporation Doped absorption for enhanced responsivity for high speed photodiodes
JP2003174185A (en) * 2001-12-05 2003-06-20 Fujitsu Ltd Semiconductor light receiving element
WO2003065416A2 (en) 2002-02-01 2003-08-07 Picometrix, Inc. Enhanced photodetector
JP4030847B2 (en) * 2002-09-20 2008-01-09 ユーディナデバイス株式会社 Semiconductor photo detector
US6740908B1 (en) * 2003-03-18 2004-05-25 Agilent Technologies, Inc. Extended drift heterostructure photodiode having enhanced electron response
JP2006229156A (en) * 2005-02-21 2006-08-31 Ntt Electornics Corp Photodiode
EP2143146A1 (en) * 2007-04-13 2010-01-13 Semiconductor Energy Laboratory Co, Ltd. Photovoltaic device and method for manufacturing the same
WO2009100023A2 (en) * 2008-02-01 2009-08-13 President & Fellows Of Harvard College A multijunction photovoltaic device
JP2011176094A (en) * 2010-02-24 2011-09-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Photodiode
JP2011258809A (en) * 2010-06-10 2011-12-22 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor photodetector
JP2012124404A (en) * 2010-12-10 2012-06-28 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Photodiode and manufacturing method therefor
TWI412149B (en) * 2010-12-16 2013-10-11 Univ Nat Central Laser energy conversion device
JP2012146806A (en) * 2011-01-12 2012-08-02 Irspec Corp Lattice mismatched infrared compound semiconductor photodetector

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